电子设备的散热问题与新型冷却技术的应用
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[6 - 7]
流体在窄通道内的对流沸腾传热, 热流密度可 达 100 W/ cm 。1 个封闭的回路包括有窄通道构成 的蒸发器, 微型泵 , 冷凝器及水组成。该方法具有结 构紧凑及成本低的优点。
2
热管技术及其在电子冷却中的应用
近年来, 热管技术已在电器设备及电子元器件冷 却、 半导体元件以及大规模集成电路板的散热方面取 得很多应用成果。其中最具发展潜力的有: 小型及微 2006 年 第5期 71
空气冷却是最经典、 最方便的方法。其优点是 新技术新工艺
ห้องสมุดไป่ตู้
热加工技术与装备
型热管, 回路热管及毛细泵回路热管, 脉动热管等。 常规热管的尺寸范围小至几个厘米长及几个毫 米的直径, 大至 10 m 长及几个厘米直径。常规热 管存在一些传热极限 , 如毛细极限、 沸腾极限等。 毛细泵回路热管及回路热管可以克服常规热管 的一些极限[ 17- 18] , 类似与常规热管, 回路热管主要依 靠毛细作用力来驱动工质在回路中的流动。因而在 地面和微重力场应用时, 具有更好的热力性能和稳定 性。当前的研究热点是研制小型化的回路热管, 以满 足集成电子元器件高散热负荷及高热流密度的需要。 各种小 型 及 微型 热 管 已 广 泛应 用 于 电 子 冷 却 。如用于手提电 脑 CPU 冷却的 小型热管 , 多为直径 2. 5~ 4 mm 的铜水热管。微型热管没有 吸液芯。其横截面通常为三角形、 矩形及其它多边 形等 , 这些形状的截面多有锐角或尖角 , 具有毛细作 用, 能吸附液体 , 并起到液体的天然通道作用。 脉动热管是 20 世纪 90 年代初出现的 1 种新型 热管技术
Keywords
electro nic device, cooling t echnolo g y, heat pipes 中图分类号 : T K 124 文献标识码 : A
电子及相关产业的发展有两大趋势, 一是追求小 型化和集成化, 二是追求高频率和高运算速度, 导致 单位容积电子元器件的发热量大增。事实上, 电子设 备的散热问题已成为制约微电子工业发展的瓶颈。 统计数据表明, 从 1970 年以来, 半导体晶体管 的密度和性 能飞速提高 , 几乎每隔 18 个月 就翻 1 倍, 基本上按照 M oo re 定律的预测趋势在发展 [ 1- 2] 。 相应的, 电子元器件的散热量和散热密度也随之升 高。近 10 年来 , CM OS 技术的引进, 替代了二极管 技术 , 更使散热 密度从 0. 5 W/ cm 2 跃升到 15 W/ cm 2 , 今后预计将达到 40~ 60 W/ cm 2 。因此 , 对散 热元件提出了革命性的挑战。通常要求其传热能力 2 在 5~ 250 W, 热流密度在 1~ 40 W/ cm , 机械和传 热之间相互兼容 , 能长期可靠的运行, 体积小, 结构 紧凑且成本低廉 。 考察现代电子设备的冷却问题, 一般分为 3 个 [ 5] 层次 。 第 1 层次: 热量从芯片传递到基片 , 基片材 料通常为塑料和陶瓷; 第 2 层次: 热量从基片传递 到冷却板 ; 第 3 层次 : 把热量传给大气。传统上, 第 2 和第 3 层次的散热依靠空气的自然对流或强制对 流方式实现。
[ 22 - 24] [ 19 - 21]
[ 8] M offat R J. A ir co oling of elect ronic co mpo nents. N ew Y or k: Hemisphere P ublishing Corpo ratio n, 1988. [ 9] Chu R C, Simons R E, Chry sler G M . Ex perimental investig atio n o f an enhanced thermosy phon heat loo p for coo l ing o f a high per formance electr onics module. Pr oceeding o f 15th IEEE Semi T herm Symposium, 1999. [ 10] Grimley T A, M udawar I, Incro pera F P. Limits to critical heat flux enhancement in a liquid film falling o ver a structured surface that simulates a microelectronic Chip. Tr ansaction of A SM E, Journal of Heat Tr ansfer , 1988, 110: 535 - 538. [ 11] Incr opera F P. L iquid cooling of electr onic devices by sing le - phase Sons, 1999. [ 12] Chr ysler G M , Chu R C, Simons R E. Jet impingement boiling of a dielectr ic co olant in nar row g aps. Packag ing and M anufactur ing T echnolo gy : P art A , 1995, 18 ( 3) . [ 13] V ader D T , Chrysler G M , Chu R C et al. Experimental investigation of subcooled liquid nitrogen impingement cooling of a silicon chip. IEEE Transaction on Co mponents, Packaging and M anufacturing Technology : Part A, 1995, 18 ( 4) . [ 14] Simons E. A pplication o f ther moelectr ic coolers for module co oling enhancement. Electro nics Coo ling , 2000, 6 ( 2) . [ 15] Riffat S B, M aX. T hermo electrics: A r eview o f present and potential applications. A pplied T her mal Eng ineer ing, 2003, 23: 913 - 935. [ 16] Bo wers M B, M udawar I. H ig h flux boiling in low flow rate: Lo w pressur e dr op mini channel and m icro - channel heat sinks. International jour nal of H eat M ass T ransfer, 1994, 37 ( 2) : 321 - 332. [ 17] F aghr i A. H eat P ipe Science and T echno log y. T aylor and F rancis, 1995. [ 18] 林唯耕 , 陈绍文 . 微小毛细泵吸环路应用 于笔记本计算 机之传热研究 . 工程热物理学报 , 2002, 23( 5) : 602 - 604. [ 19] Cotter T P. P rinciples and pro spects fo r micro heat pipes. T sukuba: P roceeding of 5th Internatio nal of Heat P ipe Conference, 1984. [ 20] Chen H , G roll M , R sler S. M icro heat pipes: ex per i menta l investig ation and theoret ical mo deling. BeiJing : Pr o ceeding o f 8th International H eat Pipe Conference, 1992. [ 21] Ito h A, Po la F. Development and application of micro heat pipes. M insk. Pr oceeding of 7th Inter national H eat P ipe Conference, 1990. [ 22] A kachi H . U SA, Patent 4921041, 1990. [ 23] A kachi H . U SA, Patent 5219020, 1993. [ 24] Gr oll M , Khandekar S. Pulsating heat pipes: Pr og ress and pr ospects. Shang hai: Pr oceeding o f 3r d Internatio nal Conference o n Energ y and Env iro nment, 2003. convectio n. New Yo rk: John Wiley &
[3 - 4]
结构简单, 成本低而且可靠; 无需泵或风机 , 也就没 有噪声和震动。其缺点是热阻大 , 传热性能差。 1. 2 强制对流冷却[ 8] 传热性能比自然对流提高 5~ 12 倍。但需要增 加泵或风机 , 成本增加 , 噪声变大 , 运行可靠性低。 1. 3 池沸腾强制对流冷却 [ 9] 利用去电离子液体的相变冷却散热 , 传热性能 比强制对流提高 10~ 50 倍。但受空间限制及存在 临界热流通量问题 , 限制其在电子冷却中的应用。 1. 4 膜状冷却[ 10] 依靠重力作用 , 让冷却液流过垂直和倾斜表面, 并蒸发沸腾。虽然具有较高的传热性能 , 受空间限 制 , 需配支撑系统 , 冷却能力不可控制等。 1. 5 液体喷射制冷[ 11- 13] 通过喷射, 形成 1 个很薄的动力和热力边界层。 散热能力可达 70 W/ cm , 传热系数可达 104 W/ m K。 1. 6 热电冷却
Abstract T his paper fo cused o n the key pr oblems in modern electr onic device co oling , and reviewed all a vailable coo ling technolog ies. T he application and prospect s of var ious new kinds of heat pipe technolog ies in e lectr onic dev ice co oling ar e described in details.
[ 14 - 15] 2 2
是基于 P elt ier 效应。当电流通过两种不同材 料 , 在他们的联结处会产生温度梯度。半导体材料 如 Bi2 T e 3 的出现使实际应用成为可能。它具有结 构紧凑 , 静音 , 无运转部件, 易控制等优点。 1 7 流动沸腾冷却
2 [ 16]
1
电子散热技术的发展
电子设备的散热问题与新型冷却技术的应用
上海东华大学环境科学与工程学院 ( 200051) 杨洪海
摘要 针对现代电子设备所面临的散热问题, 综合分析了各种常用的和潜在的电子冷却方法, 并着重阐明了新型热管技术在电子冷却中的应用前景。 关键词 电子设备 散热技术 热管技术
Electronic Heat Removing and New Cooling Technology
近 50 年来, 电子散热技术经历了几次重大的变 革。从 1960 至 1970 年, 处于真空管时代, 散热功率大, 体积也大。随后, 晶体管的出现, 使散热功率及体积大 大减少。因此在相当长的时间里, 从 1970 至 1992 年, 采用空气的自然对流或强制对流方式就能满足散热要 求。从 1993 年至今的十多年时间里, 由于 CMOS 技术 的应用及运行速度的提高, 散热技术面临着空前的挑 战。研究新的冷却技术已成为当前的热点。 1. 1 自然对流冷却
流体在窄通道内的对流沸腾传热, 热流密度可 达 100 W/ cm 。1 个封闭的回路包括有窄通道构成 的蒸发器, 微型泵 , 冷凝器及水组成。该方法具有结 构紧凑及成本低的优点。
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热管技术及其在电子冷却中的应用
近年来, 热管技术已在电器设备及电子元器件冷 却、 半导体元件以及大规模集成电路板的散热方面取 得很多应用成果。其中最具发展潜力的有: 小型及微 2006 年 第5期 71
空气冷却是最经典、 最方便的方法。其优点是 新技术新工艺
ห้องสมุดไป่ตู้
热加工技术与装备
型热管, 回路热管及毛细泵回路热管, 脉动热管等。 常规热管的尺寸范围小至几个厘米长及几个毫 米的直径, 大至 10 m 长及几个厘米直径。常规热 管存在一些传热极限 , 如毛细极限、 沸腾极限等。 毛细泵回路热管及回路热管可以克服常规热管 的一些极限[ 17- 18] , 类似与常规热管, 回路热管主要依 靠毛细作用力来驱动工质在回路中的流动。因而在 地面和微重力场应用时, 具有更好的热力性能和稳定 性。当前的研究热点是研制小型化的回路热管, 以满 足集成电子元器件高散热负荷及高热流密度的需要。 各种小 型 及 微型 热 管 已 广 泛应 用 于 电 子 冷 却 。如用于手提电 脑 CPU 冷却的 小型热管 , 多为直径 2. 5~ 4 mm 的铜水热管。微型热管没有 吸液芯。其横截面通常为三角形、 矩形及其它多边 形等 , 这些形状的截面多有锐角或尖角 , 具有毛细作 用, 能吸附液体 , 并起到液体的天然通道作用。 脉动热管是 20 世纪 90 年代初出现的 1 种新型 热管技术
Keywords
electro nic device, cooling t echnolo g y, heat pipes 中图分类号 : T K 124 文献标识码 : A
电子及相关产业的发展有两大趋势, 一是追求小 型化和集成化, 二是追求高频率和高运算速度, 导致 单位容积电子元器件的发热量大增。事实上, 电子设 备的散热问题已成为制约微电子工业发展的瓶颈。 统计数据表明, 从 1970 年以来, 半导体晶体管 的密度和性 能飞速提高 , 几乎每隔 18 个月 就翻 1 倍, 基本上按照 M oo re 定律的预测趋势在发展 [ 1- 2] 。 相应的, 电子元器件的散热量和散热密度也随之升 高。近 10 年来 , CM OS 技术的引进, 替代了二极管 技术 , 更使散热 密度从 0. 5 W/ cm 2 跃升到 15 W/ cm 2 , 今后预计将达到 40~ 60 W/ cm 2 。因此 , 对散 热元件提出了革命性的挑战。通常要求其传热能力 2 在 5~ 250 W, 热流密度在 1~ 40 W/ cm , 机械和传 热之间相互兼容 , 能长期可靠的运行, 体积小, 结构 紧凑且成本低廉 。 考察现代电子设备的冷却问题, 一般分为 3 个 [ 5] 层次 。 第 1 层次: 热量从芯片传递到基片 , 基片材 料通常为塑料和陶瓷; 第 2 层次: 热量从基片传递 到冷却板 ; 第 3 层次 : 把热量传给大气。传统上, 第 2 和第 3 层次的散热依靠空气的自然对流或强制对 流方式实现。
[ 22 - 24] [ 19 - 21]
[ 8] M offat R J. A ir co oling of elect ronic co mpo nents. N ew Y or k: Hemisphere P ublishing Corpo ratio n, 1988. [ 9] Chu R C, Simons R E, Chry sler G M . Ex perimental investig atio n o f an enhanced thermosy phon heat loo p for coo l ing o f a high per formance electr onics module. Pr oceeding o f 15th IEEE Semi T herm Symposium, 1999. [ 10] Grimley T A, M udawar I, Incro pera F P. Limits to critical heat flux enhancement in a liquid film falling o ver a structured surface that simulates a microelectronic Chip. Tr ansaction of A SM E, Journal of Heat Tr ansfer , 1988, 110: 535 - 538. [ 11] Incr opera F P. L iquid cooling of electr onic devices by sing le - phase Sons, 1999. [ 12] Chr ysler G M , Chu R C, Simons R E. Jet impingement boiling of a dielectr ic co olant in nar row g aps. Packag ing and M anufactur ing T echnolo gy : P art A , 1995, 18 ( 3) . [ 13] V ader D T , Chrysler G M , Chu R C et al. Experimental investigation of subcooled liquid nitrogen impingement cooling of a silicon chip. IEEE Transaction on Co mponents, Packaging and M anufacturing Technology : Part A, 1995, 18 ( 4) . [ 14] Simons E. A pplication o f ther moelectr ic coolers for module co oling enhancement. Electro nics Coo ling , 2000, 6 ( 2) . [ 15] Riffat S B, M aX. T hermo electrics: A r eview o f present and potential applications. A pplied T her mal Eng ineer ing, 2003, 23: 913 - 935. [ 16] Bo wers M B, M udawar I. H ig h flux boiling in low flow rate: Lo w pressur e dr op mini channel and m icro - channel heat sinks. International jour nal of H eat M ass T ransfer, 1994, 37 ( 2) : 321 - 332. [ 17] F aghr i A. H eat P ipe Science and T echno log y. T aylor and F rancis, 1995. [ 18] 林唯耕 , 陈绍文 . 微小毛细泵吸环路应用 于笔记本计算 机之传热研究 . 工程热物理学报 , 2002, 23( 5) : 602 - 604. [ 19] Cotter T P. P rinciples and pro spects fo r micro heat pipes. T sukuba: P roceeding of 5th Internatio nal of Heat P ipe Conference, 1984. [ 20] Chen H , G roll M , R sler S. M icro heat pipes: ex per i menta l investig ation and theoret ical mo deling. BeiJing : Pr o ceeding o f 8th International H eat Pipe Conference, 1992. [ 21] Ito h A, Po la F. Development and application of micro heat pipes. M insk. Pr oceeding of 7th Inter national H eat P ipe Conference, 1990. [ 22] A kachi H . U SA, Patent 4921041, 1990. [ 23] A kachi H . U SA, Patent 5219020, 1993. [ 24] Gr oll M , Khandekar S. Pulsating heat pipes: Pr og ress and pr ospects. Shang hai: Pr oceeding o f 3r d Internatio nal Conference o n Energ y and Env iro nment, 2003. convectio n. New Yo rk: John Wiley &
[3 - 4]
结构简单, 成本低而且可靠; 无需泵或风机 , 也就没 有噪声和震动。其缺点是热阻大 , 传热性能差。 1. 2 强制对流冷却[ 8] 传热性能比自然对流提高 5~ 12 倍。但需要增 加泵或风机 , 成本增加 , 噪声变大 , 运行可靠性低。 1. 3 池沸腾强制对流冷却 [ 9] 利用去电离子液体的相变冷却散热 , 传热性能 比强制对流提高 10~ 50 倍。但受空间限制及存在 临界热流通量问题 , 限制其在电子冷却中的应用。 1. 4 膜状冷却[ 10] 依靠重力作用 , 让冷却液流过垂直和倾斜表面, 并蒸发沸腾。虽然具有较高的传热性能 , 受空间限 制 , 需配支撑系统 , 冷却能力不可控制等。 1. 5 液体喷射制冷[ 11- 13] 通过喷射, 形成 1 个很薄的动力和热力边界层。 散热能力可达 70 W/ cm , 传热系数可达 104 W/ m K。 1. 6 热电冷却
Abstract T his paper fo cused o n the key pr oblems in modern electr onic device co oling , and reviewed all a vailable coo ling technolog ies. T he application and prospect s of var ious new kinds of heat pipe technolog ies in e lectr onic dev ice co oling ar e described in details.
[ 14 - 15] 2 2
是基于 P elt ier 效应。当电流通过两种不同材 料 , 在他们的联结处会产生温度梯度。半导体材料 如 Bi2 T e 3 的出现使实际应用成为可能。它具有结 构紧凑 , 静音 , 无运转部件, 易控制等优点。 1 7 流动沸腾冷却
2 [ 16]
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电子散热技术的发展
电子设备的散热问题与新型冷却技术的应用
上海东华大学环境科学与工程学院 ( 200051) 杨洪海
摘要 针对现代电子设备所面临的散热问题, 综合分析了各种常用的和潜在的电子冷却方法, 并着重阐明了新型热管技术在电子冷却中的应用前景。 关键词 电子设备 散热技术 热管技术
Electronic Heat Removing and New Cooling Technology
近 50 年来, 电子散热技术经历了几次重大的变 革。从 1960 至 1970 年, 处于真空管时代, 散热功率大, 体积也大。随后, 晶体管的出现, 使散热功率及体积大 大减少。因此在相当长的时间里, 从 1970 至 1992 年, 采用空气的自然对流或强制对流方式就能满足散热要 求。从 1993 年至今的十多年时间里, 由于 CMOS 技术 的应用及运行速度的提高, 散热技术面临着空前的挑 战。研究新的冷却技术已成为当前的热点。 1. 1 自然对流冷却